改进水轮发电机组甩负荷过程中调速器的控制性能
简介： 本文从国际电工委员会IEC61362(1998)“水轮机控 制系 统技术规程”中对水轮组甩100%额定负荷后动态品质指标分析入手，运用MATLAB语言 及SIMULINK对水轮机调节系统甩负荷过程建模并进行仿真计算，分析了水轮机调速器典型结 构、调节参数和控制方式对控制性能影响。结果表明：在调速器中引入适当的非线性控制环 节，能够很好地解决大波动到小波动过程的平稳过渡，从而使甩负荷过程性能指标显著提 高；非线性与线性水轮机模型甩负荷仿真曲线的变化趋势相近，因而线性水轮机模型仿真结 果具有代表性。
关键字：水轮组 甩负荷 性能指标 非线性控制
在水电站中甩负荷是一种常见的现象。水轮组发生甩负荷后，巨大的剩余能量使机组转速上升很快，调速器迅速关闭导叶并经过一段时间的调整，重新稳定在空载工况下运行。在甩负荷过程中，除了调节保证计算所关心的最大转速上升值和最大水击压力上升值外，还要对甩负荷动态过程品质指标的优劣进行考核。
我国国家标准GB/T 9652.1—1997“水轮机调速器与油压装置技术条件”［2］和国际电工委员会IEC61362(1998)“水轮机控制系统技术规程”［1］中对水轮组甩100%额定负荷后动态品质均有规定，其中IEC规定如下：①调节时间tE—从甩负荷开始到进入空载转速的相对偏差小于±1%为止的时间；②最高转速nmax—甩负荷后的最大转速(在tm时刻)；③最底转速nmin—甩负荷后的最小转速；④推荐值—tE/tM=2.5～4.0(对于转速自由缓慢下降的水斗式机组和高水头混流式水轮机，其数值可达15)，nmin/nr＝0.85～0.95(仅适用于与电网解列后提供厂用电的机组)，如图1所示。
图1 甩负荷过程曲线
为了讨论问题方便起见，本文将调节时间tE分解为转速上升时间tM、转速下降时间tD、转速调整时间tR三部分之和，即tE=tM+tD+tR。
1 甩负荷动态过程的品质指标分析
1.1 转速上升时间(tM) 机组甩100%额定负荷后，由于剩余能量巨大，转速上升很快。正常情况下，调速器以最大速度关闭导叶到零开度，转速上升时间tM=tc+tn，其中：tc为调速器迟滞时间，取决于调速器的死区大小、机组转速的上升速率以及运行工况等，调速器在非限制条件下，tc一般大约在0.2s～0.3s。
tn为调保计算中的升速时间，被定义为自导叶开始动作到最大转速所经历的时间。升速时间tn与取决于水轮机主动力矩和机组惯性力矩之比，即与机组特性有关。采用比转速(ns)统计法有：tn=τn·T′s，τn为相对升速时间，τn=0.9-0.00063·ns［5］。可以看出，相对升速时间τn随比转速的增加而减少，即低比转速、高水头水轮机相对升速时间大，高比转速、低水头水轮机相对升速时间小。T′s为导叶直线关闭时间。
由于迟滞时间tc较升速时间tn小得多，一般情况下，可将转速上升时间tM等同于调保计算中的升速时间tn看待。根据统计资料大多机组的tM=(2～6)s［３］。
1.2 转速下降时间(tD) 它表示机组甩负荷后，导叶直线关闭到零并一直保持到零开度(相当于机组紧急停机)情况下，自最高转速下降到空载转速区域为止的时间，或称为最快转速下降时间。在最高转速之前，机组处于水轮机工况，之后，进入制动和反水泵工况，转轮区的水起阻力作用，再加上机械摩擦阻力矩及电磁阻力矩等，机
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